Partikelbillede Velocimetry Undersøgelse af hæmodynamik via Aorta Phantom
Summary
Den nuværende protokol beskriver partikelbilledvelocimetri (PIV) målinger udført for at undersøge sinusstrømmen gennem in vitro-opsætningen af transkateterens aortaklap (TAV). De hæmodynamiske parametre baseret på hastighed bestemmes også.
Abstract
Aortaklappen dysfunktion og slagtilfælde er for nylig blevet rapporteret hos transkateter aortaklappen implantation (TAVI) patienter. Trombose i aorta sinus og neo-sinus på grund af hæmodynamiske ændringer er blevet mistænkt. In vitro-eksperimenter hjælper med at undersøge de hæmodynamiske egenskaber i de tilfælde, hvor en in vivo-vurdering viser sig at være begrænset. In vitro-eksperimenter er også mere robuste, og de variable parametre styres let. Partikelbilledvelocimetri (PIV) er en populær velocimetrimetode til in vitro-undersøgelser . Det giver et hastighedsfelt med høj opløsning, således at selv små flowfunktioner observeres. Formålet med dette studie er at vise, hvordan PIV bruges til at undersøge flowfeltet i aorta sinus efter TAVI. In vitro-opsætningen af aortafantomet, TAVI for PIV og dataindsamlingsprocessen og efterbehandlingsflowanalysen er beskrevet. De hæmodynamiske parametre er afledt, herunder hastighed, strømningsstasis, hvirvel, vorticitet og partikelophold. Resultaterne bekræfter, at in vitro-eksperimenter og PIV hjælper med at undersøge de hæmodynamiske træk i aorta-sinus.
Introduction
Aortastenose er en almindelig sygdom hos ældre voksne, og det er, når aortaklappen ikke åbner, hvilket reducerer blodgennemstrømningen. Problemet skyldes fortykkelse eller forkalkning af aortaklappen1. Derfor er det en nødvendig behandling for at forbedre blodgennemstrømningen og mindske belastningen på hjertet. Det behandles ved at ombygge aortaklappen eller erstatte den med en kunstig ventil. Denne undersøgelse fokuserer på transkateter aortaklappen implantation (TAVI), der erstatter den funktionsdygtige aortaklap med en kunstig ved hjælp af et kateter.
TAVI er blevet anbefalet til patienter, der er udfordret ved operation, og dødeligheden har også været lav2. For nylig er det blevet rapporteret, at trombose hos patienter efter TAVI forårsagede ventildysfunktion og slagtilfælde 3,4. Trombose i aorta sinus og neo-sinus er mistænkt, med sin årsag sandsynligvis er ændringerne i hæmodynamikken forårsaget af TAVI. Det udføres uden at fjerne de oprindelige foldere; disse brochurer kan forstyrre sinusstrømmen og øge risikoen for trombose5.
Det er vanskeligt at bestemme, hvordan blodgennemstrømningen påvirkes af TAVI, og hvordan trombose induceres hos patienter. Det er ønskeligt at belyse forholdet mellem blodgennemstrømning og trombosedannelse in vivo. Manglen på praktiske teknikker til måling af blodgennemstrømningen gør dette imidlertid problematisk. På den anden side har in vitro-teknikker den fordel, at man kan overvåge ændringerne i blodgennemstrømningen ved at begrænse de parametre, der skal undersøges. In vitro-opsætning og partikelbilledvelocimetri (PIV) er blevet brugt til at identificere hastighed inden for medicinske områder 6,7,8. Derfor er in vitro og PIV tilstrækkelige til at bestemme de parametre, der skal rapporteres ved at efterligne patientens tilstand: puls og tryk, viskositet og sinusgeometri og lade en kontrollere disse parametre.
I denne undersøgelse bruges in vitro-opsætning og PIV til at undersøge strømmen i aorta-sinus efter TAVI. Aortafantomet og TAVI for PIV og dataindsamlingsprocessen og efterbehandlingsflowanalysen er beskrevet i denne protokol. Forskellige hæmodynamiske parametre er afledt, herunder hastighed, stasis, hvirvel, vorticitet og partikelophold. Resultaterne viser, at in vitro-opsætning og PIV hjælper med at undersøge de hæmodynamiske træk i aorta-sinus.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sinusstrømmen ændrede sig på grund af forskellig sinusgeometri efter TAVI. Hvirvlen blev dannet af aortaklappens åbning og interaktionen med den fremadgående stråle af systol22. I undersøgelsen af den kunstige kirurgiske ventil uden indfødte foldere var hvirvel observeret i sinusområdet ved systole normal23. Denne undersøgelse danner hvirvlen præsenteret ved diastol ved at reducere den fremadrettede stråle og komme ind i sinus. Sinusstrømmen stødte på den ind…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af Det Grundvidenskabelige Forskningsprogram fra Koreas Nationale Forskningsfond, som er finansieret af Undervisningsministeriet (NRF-2021R1I1A3040346 og NRF-2020R1A4A1019475). Denne undersøgelse blev også støttet af 2018 Research Grant (PoINT) fra Kangwon National University.
Materials
| 3D Printer | Prusa Research | Original Prusa i3 MK2; FDM printer | |
| Aluminum bar (square) | APSPRO | KHP-3030, KHP-6060 | Dimension: 30 mm x 30 mm, 60 mm x 60 mm |
| Bulb pump | Skyhope | MHL-1 | |
| Camera controlling software | Phantom | PCC 3.4 software | The software controll the high speed camera |
| Check valve | HANJU STEEL PIPE | Check valve; 1/2 inch (15A) | |
| Digital Aqusition device | National Instruments | USB-6001 | |
| Glycerin | ANU Korea | It used for making a working fluid | |
| High-speed camera | Phantom | Phantom VEO 710E-L | |
| Laser | Changchun New Industries Optoelectronics Technology | MGL-W-532; CW Nd:YAG Laser | |
| Linear actuator | THOMSON | PC-40; it converts the rotational motion to lenear motion | |
| Macro lens | Nikon | VR Micro-NIKKOR 105mm, f/1.4 | |
| Motor | KOLLMORGEN | AKM33H-ANCNR-00; DC servo motor | |
| Motor controlling software | KOLLMORGEN | Kollmorgen software; the software controll the motor driver | |
| Motor driver | KOLLMORGEN | AKD-B00606-NBAN-0000 | |
| Open-source electronic prototypic platform | Arduino | A000066 | Arduino Uno R3. It used for making a external trigger |
| Optic table | SMTECH | 1800 (W) x 900 (B) x 800 (H) | |
| Particle | Dantec Dynamics | 80A6011 | Hollow Glass Sphere. Mean diameter:10 µm, Density: 1090 kg/m3 |
| PIVlab | PIVlab | Open source algorithm based on MATLAB https://kr.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/27659-pivlab-particle-image-velocimetry-piv-tool-with-gui |
|
| Pressure gauge | OMEGA | PX309-015A5V. Measurement range: 0~15psi | |
| Refractometer | ATAGO | 2350 | R-5000. Hand held refractometer; measurement range: 1.333-1.520 |
| Resistance valve | HANJU STEEL PIPE | Ball valve; 1/2 inch (15A) | |
| Saline | DAI HAN PHARM | It is used for making a working fluid and for preserving the TAV | |
| Silicone hose | HSW | Inner diameter 26mm, Outter diameter 30mm; Inlet length 5m, Outlet length 1.5m | |
| System enginnering software | National Instruments | LabVIEW software. The software controlls the DAQ. | |
| Transcatheter Aortic Valve, TAV (23 mm) and TAV (26 mm) | Edwards Lifesciences | SAPIEN3 23mm, SAPIEN3 26mm. It is supported by Seoul Asan Medical | |
| Viscosmeter | Brookfiled | DVELV; Measurement range: 1-2×109 cp |
References
- Carabello, B. A., Paulus, W. J. Aortic stenosis. The Lancet. 373 (9667), 956-966 (2009).
- Jakobsen, L., et al. Short-and long-term mortality and stroke risk after transcatheter aortic valve implantation. The American Journal of Cardiology. 121 (1), 78-85 (2018).
- Koo, H. J., et al. Computed tomography features of cuspal thrombosis and subvalvular tissue ingrowth after transcatheter aortic valve implantation. The American Journal of Cardiology. 125 (4), 597-606 (2020).
- Midha, P. A., et al. The fluid mechanics of transcatheter heart valve leaflet thrombosis in the neosinus. Circulation. 136 (17), 1598-1609 (2017).
- Abubakar, H., Ahmed, A. S., Subahi, A., Yassin, A. S. Thrombus in the Right Coronary Sinus of Valsalva Originating From the Left Atrial Appendage Causing Embolic Inferior Wall Myocardial Infarction. Journal of Investigative Medicine High Impact Case Reports. 6, 2324709618792023 (2018).
- Charonko, J., Karri, S., Schmieg, J., Prabhu, S., Vlachos, P. In vitro, time-resolved PIV comparison of the effect of stent design on wall shear stress. Annals of Biomedical Engineering. 37 (7), 1310-1321 (2009).
- Hariharan, P., et al. Inter-laboratory characterization of the velocity field in the FDA blood pump model using particle image velocimetry (PIV). Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (4), 623-640 (2018).
- Lim, W., Chew, Y., Chew, T., Low, H. Pulsatile flow studies of a porcine bioprosthetic aortic valve in vitro: PIV measurements and shear-induced blood damage. Journal of Biomechanics. 34 (11), 1417-1427 (2001).
- Kim, J., Lee, Y., Choi, S., Ha, H. Pulsatile flow pump based on an iterative controlled piston pump actuator as an in-vitro cardiovascular flow model. Medical Engineering & Physics. 77, 118-124 (2020).
- Moore, B. L., Dasi, L. P. Coronary flow impacts aortic leaflet mechanics and aortic sinus hemodynamics. Annals of Biomedical Engineering. 43 (9), 2231-2241 (2015).
- Evans, B. . Practical 3D printers: The science and art of 3D printing. , (2012).
- Yudi, M. B., Sharma, S. K., Tang, G. H., Kini, A. Coronary angiography and percutaneous coronary intervention after transcatheter aortic valve replacement. Journal of the American College of Cardiology. 71 (12), 1360-1378 (2018).
- Adrian, R. J., Westerweel, J. . Particle Image Velocimetry. , (2011).
- Deen, N. G., et al. On image pre-processing for PIV of single-and two-phase flows over reflecting objects. Experiments in Fluids. 49 (2), 525-530 (2010).
- Thielicke, W., Stamhuis, E. PIVlab-towards user-friendly, affordable and accurate digital particle image velocimetry in MATLAB. Journal of Open Research Software. 2 (1), (2014).
- Pizer, S. M., et al. Adaptive histogram equalization and its variations. Computer Vision, Graphics, and Image Processing. 39 (3), 355-368 (1987).
- Garcia, D. Robust smoothing of gridded data in one and higher dimensions with missing values. Computational Statistics & Data Analysis. 54 (4), 1167-1178 (2010).
- Elger, D. F., LeBret, B. A., Crowe, C. T., Roberson, J. A. . Engineering Fluid Mechanics. , (2020).
- Raghav, V., Sastry, S., Saikrishnan, N. Experimental assessment of flow fields associated with heart valve prostheses using particle image velocimetry (PIV): recommendations for best practices. Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (3), 273-287 (2018).
- Ncho, B., Sadri, V., Ortner, J., Kollapaneni, S., Yoganathan, A. In-Vitro Assessment of the Effects of Transcatheter Aortic Valve Leaflet Design on Neo-Sinus Geometry and Flow. Annals of Biomedical Engineering. 49 (3), 1046-1057 (2021).
- Graftieaux, L., Michard, M., Grosjean, N. Combining PIV, POD and vortex identification algorithms for the study of unsteady turbulent swirling flows. Measurement Science and Technology. 12 (9), 1422 (2001).
- Yap, C. H., Saikrishnan, N., Tamilselvan, G., Yoganathan, A. P. Experimental measurement of dynamic fluid shear stress on the aortic surface of the aortic valve leaflet. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 11 (1), 171-182 (2012).
- Toninato, R., Salmon, J., Susin, F. M., Ducci, A., Burriesci, G. Physiological vortices in the sinuses of Valsalva: an in vitro approach for bio-prosthetic valves. Journal of Biomechanics. 49 (13), 2635-2643 (2016).
- Raghav, V., Midha, P., Sharma, R., Babaliaros, V., Yoganathan, A. Transcatheter aortic valve thrombosis: a review of potential mechanisms. Journal of the Royal Society Interface. 18 (184), 20210599 (2021).
- Ramanathan, T., Skinner, H. Coronary blood flow. Continuing Education in Anaesthesia, Critical Care & Pain. 5 (2), 61-64 (2005).
- Nobach, H., Bodenschatz, E. Limitations of accuracy in PIV due to individual variations of particle image intensities. Experiments in Fluids. 47 (1), 27-38 (2009).
- Gülan, U., et al. Performance analysis of the transcatheter aortic valve implantation on blood flow hemodynamics: An optical imaging-based in vitro study. Artificial Organs. 43 (10), 282-293 (2019).
